In herkömmlichen Lasern sind Spiegel unerlässlich, um Licht hin und her zu reflektieren, wodurch die kohärente Emission von angeregten Atomen oder Molekülen und somit die Lichtverstärkung stimuliert wird. Bei dem neuen „spiegellosen” Konzept interagieren die Atome jedoch direkt über ihre eigenen elektromagnetischen Dipolfelder, da der Abstand zwischen den Atomen kleiner ist als die Wellenlänge des emittierten Lichts. Wenn das System mit ausreichend Energie gepumpt wird, führen diese Wechselwirkungen dazu, dass sich die Emitter synchronisieren und gemeinsam strahlen – ein Phänomen, das als Superradianz bezeichnet wird.
Das Team unter der Leitung von Helmut Ritsch fand heraus, dass diese kollektive Emission Licht erzeugt, das sowohl hochgradig gerichtet als auch spektral rein ist, also eine einzige schmale Spektrallinie aufweist, wenn nur ein Teil der Emitter durch inkohärentes Licht angeregt wird und die übrigen Atome unangeregt bleiben. Da dieser passive Emitteranteil nicht durch das externe Pumplicht oder die Lichtleistung vergrößert wird, wirkt er effektiv als optischer Resonator für die aktiven Emitter, analog zu einem herkömmlichen Laser, bei dem der optische Resonator und das Verstärkungsmedium getrennte physikalische Einheiten sind.
„Die Atome synchronisieren ihre Emission und beginnen ab einem bestimmten Schwellenwert, gemeinsam oder im Einklang miteinander zu leuchten“, erklärt Anna Bychek, Postdoktorandin am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Es gibt noch viele Fragen, die in zukünftigen Arbeiten untersucht werden müssen, aber es ist klar, dass Atome über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen im freien Raum ihren eigenen Rückkopplungsmechanismus und ihre Frequenzauswahl aufbauen.“
Über die konzeptionelle Bedeutung hinaus könnte diese Entdeckung eine neue Klasse ultrakompakter Lichtquellen für die Nanophotonik und Präzisionsmessungen ermöglichen. Da die Emissionsfrequenz in erster Linie von den Atomen selbst bestimmt wird, könnten solche Systeme außergewöhnlich stabile optische Referenzen für Quantensensoren, Quantenuhren oder On-Chip-Systeme liefern.
Die Arbeit kombiniert die Theorie der Licht-Materie-Wechselwirkungen mit fortschrittlichen numerischen Methoden, um zu studieren, wie sich große Atomensembles kollektiv verhalten und kohärente Strahlung aussenden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit den laufenden Fortschritten auf diesem Gebiet die spiegelfreie Laserstrahlung bald den Sprung von der Theorie zur experimentellen Umsetzung schaffen könnte.
Diese Arbeit wurde kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht und unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union finanziell unterstützt.
Publikation: Nanoscale Mirrorless Superradiant Lasing. Anna Bychek, Raphael Holzinger, and Helmut Ritsch. Phys. Rev. Lett. 135, 143601 DOI: 10.1103/rbs2-2pd5